立體化智能倉庫的開發(fā)與實施

文/孫茹樹

1 項目背景

近些年隨著人工智能技術(shù)的不斷成熟，人工智能在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，圖像識別、語音識別、工業(yè)自動化等深入各行各業(yè)。創(chuàng)新開發(fā)立體化智能倉庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)車間所需要的物料、備品備件、貨物進(jìn)行管理。立體化智能倉庫綜合采用5G技術(shù)、信息識別技術(shù)、圖像監(jiān)視技術(shù)、計算機(jī)控制和管理系統(tǒng)等，自動地存儲和取出物料，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中物料、貨物的自動化運輸，減少人力運輸成本，提高工作效率。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)概述

立體化智能倉庫系統(tǒng)主要由智能化機(jī)器人、電氣設(shè)備、立體化貨架、計算機(jī)控制和管理系統(tǒng)組成。能夠充分利用空間，實現(xiàn)貨物的最大存儲量，完全由計算機(jī)操控，在不直接人工干預(yù)的情況下，智能化機(jī)器人自動地存儲和取出物料的存儲系統(tǒng)。機(jī)械設(shè)備主要包括貨架、托盤、智能化機(jī)器人；電氣設(shè)備主要包括檢測裝置、信息識別裝置、控制裝置、5G數(shù)據(jù)通信設(shè)備、4K圖像監(jiān)視設(shè)備等，綜合運用了信息識別技術(shù)、圖像監(jiān)視技術(shù)；計算機(jī)控制和管理系統(tǒng)是集物資存儲、輸送、分配等功能于一體的自動化系統(tǒng)。承擔(dān)智能化倉庫的貨物管理、堆垛機(jī)控制、運送機(jī)控制、自動分揀等，能夠?qū)崿F(xiàn)包裝標(biāo)準(zhǔn)化、識別智能化、輸送機(jī)械化、控制自動化實現(xiàn)生產(chǎn)過程中物料、貨物的自動化運輸，減少人力運輸成本，提高工作效率。

2.2 各個功能模塊應(yīng)用特點詳述

2.2.1 智能化機(jī)器人

智能化機(jī)器人設(shè)計為4軸軌道叉臂機(jī)器人，機(jī)器人在軌道上具有啟動、停止、急停、復(fù)位等運動功能，同時具備高度的升降，左右叉臂的伸縮功能。機(jī)械部分采用導(dǎo)軌和高精度齒條設(shè)計，高精度齒條的選用，大大提高了機(jī)器人4軸運動的精度。

智能化機(jī)器人的控制核心采用PLC可編程控制器，PLC通過位置模式控制伺服電機(jī)，實現(xiàn)機(jī)器人的4軸運動。其中，PLC選用三菱FX5U系統(tǒng)，三菱FX5U具備4軸高速脈沖輸出，完全滿足機(jī)器人的4軸控制；電機(jī)選用臺達(dá)B2系列，大功率伺服電機(jī)的使用，使機(jī)器人最大載重可達(dá)500公斤，運行速度最高可達(dá)30米/分鐘，在高負(fù)載高速率的情況下滿足機(jī)器人的精準(zhǔn)運動。其中，為考慮機(jī)器人的安全，控制高度的伺服電機(jī)應(yīng)具備電磁剎車功能，避免機(jī)器人取重物時突然斷電，出現(xiàn)失重現(xiàn)象。PLC軟元件布局如表1所示。

表1

機(jī)器人電源系統(tǒng)由蓄電池和電源管理系統(tǒng)組成，當(dāng)蓄電池電量低于預(yù)設(shè)的閥值時，電源管理系統(tǒng)自動發(fā)出充電申請，并接收控制系統(tǒng)指令自動運行至充電站充電。當(dāng)機(jī)器人長時間處于任務(wù)空閑時，控制系統(tǒng)發(fā)指令讓機(jī)器人處于休眠狀態(tài)，低功耗運行。

2.2.2 電氣設(shè)備

電氣設(shè)備主要包括檢測裝置、信息識別裝置、5G數(shù)據(jù)通信模塊、4K圖像監(jiān)視設(shè)備等。

電氣設(shè)備使機(jī)器人具備了位置識別、障礙物感知、和上位機(jī)通訊等功能。檢測裝置的位置傳感器主要由定位傳感器和超聲波傳感器組成。定位傳感器給機(jī)器人提供位置信息，可以使機(jī)器人快速準(zhǔn)確的運行到指定位置。機(jī)器人的移動位置雖然由PLC控制，但運行過程中難免出現(xiàn)丟步或者人為移動機(jī)器人的現(xiàn)場，機(jī)器人可以通過定位傳感器實時修正自己的位置坐標(biāo)，并通過通信模塊將位置信息反饋給上位機(jī)；超聲波傳感器用于獲取機(jī)器人周圍的信息，當(dāng)機(jī)器人運行方向或者機(jī)械臂伸展方向有障礙物的時候，機(jī)器人會停止運行，同時發(fā)出報警信息。

5G通訊模塊的開發(fā)，實現(xiàn)了機(jī)器人和上位機(jī)的實時通訊。操作人員通過人機(jī)界面輸入需要取件的物料，上位機(jī)通過5G通訊模塊發(fā)送物料名稱、編號、貨架位置、取件數(shù)量等信息給機(jī)器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)器人快速而準(zhǔn)確的取貨。同時，機(jī)器人也會將定位和超聲波傳感器信息通過5G通訊模塊實時反饋給上位機(jī)。當(dāng)機(jī)器人與通信網(wǎng)絡(luò)失聯(lián)超過一定時間時，出于安全考慮，機(jī)器人自動停止運行，發(fā)出報警信息，等待人工介入處理。

4K圖像監(jiān)視設(shè)備用于監(jiān)看機(jī)器人的運行情況，4K圖像通過5G網(wǎng)絡(luò)實時回傳至服務(wù)器電腦，操作人員可以監(jiān)看機(jī)器人的運行狀態(tài)。

2.2.3 立體化貨架

立體化貨架可根據(jù)生產(chǎn)車間的需求自由定制，一般可采用5-10層貨架，貨架長度最長可至100米，可滿足大型立體化倉庫的需求。

2.2.4 計算機(jī)控制和管理系統(tǒng)

人機(jī)界面采用計算機(jī)系統(tǒng)，主要分為機(jī)器人控制系統(tǒng)和倉庫管理系統(tǒng)，使用VB6.0開發(fā)，計算機(jī)系統(tǒng)通過5G網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人通訊。

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要功能是計算機(jī)和PLC之間的5G通訊，由計算機(jī)發(fā)送指令，通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給PLC；機(jī)器人自身的傳感器信息也將由PLC通過5G網(wǎng)絡(luò)反饋給計算機(jī)。操作人員通過機(jī)器人控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)視調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)、機(jī)器人運行狀態(tài)、機(jī)器人安全狀態(tài)、傳感器狀態(tài)、故障信息，并進(jìn)行機(jī)器人運動控制等，可以對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程固件升級、遠(yuǎn)程重啟等操作。

計算機(jī)管理系統(tǒng)主要功能是對立體化倉庫的物料管理，采用SQL數(shù)據(jù)庫設(shè)計，存儲立體化倉庫內(nèi)所有物料的信息，包括物料名稱、數(shù)量、位置等信息。倉庫管理員需對貨架上所有周轉(zhuǎn)箱編號，將物料分類后按編號放入周轉(zhuǎn)箱，所有信息錄入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)倉庫管理的信息化。機(jī)器人控制系統(tǒng)在收到取料指令后，自動查詢數(shù)據(jù)庫信息，獲取庫存情況及物料的位置信息，并講信息發(fā)送給機(jī)器人，由機(jī)器人完成物料的收取。

3 工作流程

操作人員在計算機(jī)輸入所需物料的名稱和數(shù)量，計算機(jī)自動從數(shù)據(jù)庫查詢庫存情況和物料的位置編號，查詢無誤后向機(jī)器人發(fā)送指令，機(jī)器人獲取指令后自動巡航至指定位置，用叉臂鏟起周轉(zhuǎn)箱后巡航至取料臺，操作人員在取料臺收取物料，整個過程無需人工干預(yù)。

4 總結(jié)與展望

4.1 方案總結(jié)

生產(chǎn)車間的倉庫存在亂堆、亂放現(xiàn)象，很難實現(xiàn)精細(xì)化管理，有些不常用物料通常被遺忘在角落，不利于查找。立體化智能倉庫解決了這一問題，通過數(shù)據(jù)庫管理，可以快速準(zhǔn)確的查找所需物料的位置、數(shù)量，并通過5G網(wǎng)絡(luò)向機(jī)器人發(fā)送指令，由機(jī)器人完成物料的存取，既提高了工作效率，又實現(xiàn)了精細(xì)化管理。

現(xiàn)有機(jī)器人動力系統(tǒng)采用的軌道式機(jī)器人，軌道式機(jī)器人開發(fā)成本低、運行精度高，但靈活性差，為適應(yīng)大型倉庫車間的智能化管理，下一步將開發(fā)自走機(jī)器人，以適應(yīng)更多的使用場景。

4.2 未來展望

“機(jī)器換人”不僅緩解勞動力成本上漲帶來的壓力，而且智能裝備可以提高生產(chǎn)效率，降低單位時間內(nèi)的成本，從而增大盈利空間。

建設(shè)智能倉庫、智能工廠是制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要方式，是中長期發(fā)展戰(zhàn)略。中國要從制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，必須加快推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟(jì)的深度融合。數(shù)字化是智能化的必由之路，如果沒有智能化工廠的打算，企業(yè)可能在未來喪失競爭力。